新材料科學技術物理學院“國培計劃”講座肖循新材料科學技術一二三五

材料科學概述碳纖維復合材料超導材料新型陶瓷納米科學技術四六光纖七石墨烯一、材料科學概述

材料是人類生存和發展的物質基礎，是社會生產力的重要因素；材料的發展推動了人類的物質文明，成為標志人類社會進步的重要里程碑。20世紀中葉以來，世界各國對新材料的研究和開發都十分重視，出現了一個“材料革命”的新時代。當前人類進入知識經濟時代，材料與信息、能源并稱為現代科學技術的三大支柱，成為現代科學技術發展的物質基礎。材料科學技術本身也是高新科學技術的的重要組成部分。1、材料的重要性一、材料科學概述

1、材料的重要性低損耗光導纖維———光纖通信

超高純半導體———超大規模集成電路和計算機技術

一、材料科學概述

2、材料原因導致的災難

1986年挑戰者號，升空72秒爆炸。費曼調查：火箭助推器某處O型密封圈在攝氏10度以下失去彈性，造成液氫泄漏。1912年泰坦尼克號沉沒原因：鋼材含硫高，脆性斷裂。

一、材料科學概述

天然材料３、材料的發展

燒煉材料

合成材料

可設計材料

智能材料石器陶器青銅器鋼鐵的使用合成材料的使用新型材料的使用一、材料科學概述原始人打造的石器印地安人用的石斧石器時代青銅鼎青銅器時代青銅寶劍青銅編鐘鐵器時代鐵斧鐵犁陶鷹鼎——仰韶文化廟底溝類型高36cm三彩——我國古代陶器中一顆璀燦的明珠

日用陶瓷－盤子建筑陶瓷－墻面磚化工陶瓷結構陶瓷－陶瓷刀

功能陶瓷－電子陶瓷

飾面瓦－魚鱗瓦電瓷絕緣子氧化鋅避雷器

紡織瓷件氧化鋁陶瓷電阻

氧化鋁髖關節

高純氧化鋁透明陶瓷管

高壓鈉燈氮化硅陶瓷刀具氮化硅軸承球氮化硅陶瓷渦輪轉子

氮化硅陶瓷吸管光電信息材料新型材料半導體材料制成的芯片碳纖維材料制成的自行車前叉新型材料塑料制成的MP3外殼記憶合金(鎳鈦合金)新型材料一、材料科學概述

按化學組成：金屬、無機非金屬、高分子和復合４、材料的分類

按結構：晶體、非晶體、液晶

按性能：結構、功能

按應用：電工、電子、光電子、信息、能源、生物醫學、航天航空、光學一、材料科學概述

新材料：指新出現或正在發展中的、具有優異特性和功能并能滿足技術進步所需的材料

光電子信息材料

先進復合材料：樹脂基復合材料、金屬基復合材料、陶瓷基復合材料、碳纖維復合材料

一、材料科學概述

新型高分子材料：導電塑料做成的塑料電池、人工器官、可降解材料、高吸水性高分子新型陶瓷材料

新型金屬材料：記憶合金、鋁合金、金屬玻璃超導材料二、納米科學技術

1959年，著名物理學家、諾貝爾獎獲得者理查德·費曼預言，人類可以用小的機器制作更小的機器，最后將根據人類意愿，逐個地排列原子，制造產品，這是關于納米技術最早的夢想。

1982年，德國科學家發明研究納米材料的重要工具——掃描隧道顯微鏡，揭示了一個可見的原子、分子世界，對納米技術發展產生了極大的促進作用。

1990年7月，第一屆國際納米科學技術會議在美國巴爾的摩舉辦，標志著納米科學技術的正式誕生。

1991年，碳納米管被發現，它的質量是相同體積鋼的六分之一，強度卻是鋼的100倍，成為納米技術研究的熱點。納米碳管將是未來最佳纖維的首選材料，將被廣泛用于超微導線、超微開關以及納米級電子線路等。1、納米技術的發展歷程

二、納米科學技術

1989年美國斯坦福大學搬動原子團“寫”下斯坦福大學英文名字、1990年美國國際商用機器公司在鎳表面用36個氙原子排出“IBM”。

1993年中國科學院北京真空物理實驗室自如地操縱原子成功寫出“中國”二字，標志著我國開始在國際納米科技領域占有一席之地。

1997年，美國科學家首次成功地用單電子移動單電子，利用這種技術可望在20年后研制成功速度和存貯容量比現在提高成千上萬倍的量子計算機。

1999年，美國和巴西科學家在進行碳納米管實驗時發明了世界上最小的“秤”，它能夠稱量十億分之一克的物體，即相當于一個病毒的重量；此后不久，德國科學家研制出能稱量單個原子重量的秤，打破了美國和巴西科學家聯合創造的紀錄。

1、納米技術的發展歷程

跳蚤頭發紅細胞病毒從宏觀世界到微觀世界Pt/TiO2

催化劑DNA2nm單壁碳管1.4nmC600.7nmUnderstandingSizeHowbig(small)arewetalkingabout?10centimeters1centimeterUnderstandingSize100micrometersUnderstandingSize10micrometersUnderstandingSize1micrometerUnderstandingSize100nanometersUnderstandingSize10nanometersUnderstandingSize1nanometerUnderstandingSize碳納米管制造人造衛星的拖繩

在航天事業中，利用碳納米管制造人造衛星的拖繩，不僅可以為衛星供電，還可以耐受很高的溫度而不會燒毀。用碳納米管做繩索，是惟一可以從月球上掛到地球表面，而不被自身重量所拉斷的繩索。如果用它做成地球—月球的電梯，人們在月球定居就很容易了。二、納米科學技術

諾貝爾物理學獎（一）G.Binning

和

H.Rohrer發明了STMG.Binning

和

H.Rohrer1986年諾貝爾物理學獎48個Fe原子形成“量子圍欄”二、納米科學技術

納米材料學、納米電子學、納米機械學、納米生物學和納米醫學等

２、納米技術的研究內容和前景

納米自潔產品、納米藥物、納米飛行器、新一代計算機

二、納米科學技術

二、納米科學技術

二、納米科學技術

英特爾幾乎所有的處理器都基于45納米技術。一般來講，處理器使用的納米技術標準越小，處理器的速度越快，能效越高。英特爾將于09年12月17日展示其用于筆記本電腦的新型處理器。此次展示具有重要意義，因為這將是英特爾首次展示其即將投入商用的下一代32納米技術。

三、碳纖維復合材料

2010年7月，波音公司的787“夢幻客機”（Dreamliner）第一次飛出美國，在英國范堡羅國際航空展亮相。“夢幻客機”包含了許多重要的技術創新，采用高科技的復合材料代替鋁是最重要的一點，該飛機50％的主要結構如機身和機翼采用了碳纖維合成材料。相比之下，波音777的復合材料用量只有17%。復合材料不僅強度高，大大降低飛機的重量，所以“夢幻客機”與同等載客量客機相比耗油量可減少20%。同時復合材料還抗腐蝕，提高了飛機壽命，每架787預期可飛行50年。

1、碳纖維復合材料

三、碳纖維復合材料

一根碳纖維由數千條更微小的碳纖維所組成，在原子層面的碳纖維跟石墨很相近，由一層層以六角型排列的碳原子構成。碳纖維與石墨兩者的差別在于層與層之間的連接，石墨是晶體結構，層間連接松散；而碳纖維不是晶體結構，層間連接是不規則的，這樣可防止滑移，增強物質強度。碳纖維具有低密度、高強度、高模量、耐高溫、抗化學腐蝕、低電阻、高熱導、低熱膨脹、耐輻射等優良特性，還具有纖維的柔曲性，比強度和比模量優于其它纖維增強體。碳纖維的主要用途是與樹脂、金屬、陶瓷等基體復合，制成碳纖維復合材料。1、碳纖維復合材料

三、碳纖維復合材料

1、碳纖維復合材料

三、碳纖維復合材料

宇航航空工業２、應用領域

體育運動器材

壓力容器

土木建筑領域四、新型陶瓷

新型陶瓷采用人工合成的高純度無機化合物為原料，在嚴格控制的條件下經成型、燒結和其他處理而制成具有微細結晶組織的無機材料。新型陶瓷以其獨特的優異性能，已成為航天、航空、建筑、冶金、機械、化工、電子、生物等工程技術中的關鍵材料，且應用領域仍不斷擴展.

１、新型陶瓷的性能與用途

四、新型陶瓷

２、工程陶瓷

在工程結構上使用的陶瓷稱為工程陶瓷。高溫下強度高、硬度大、抗氧化、耐腐蝕、耐磨損、耐燒蝕等優點。

四、新型陶瓷

３、功能陶瓷

利用陶瓷對聲、光、電、磁、熱等物理性能而制造的陶瓷材料稱為功能陶瓷。

四、新型陶瓷

諾貝爾物理學獎（二）歷史上，僅1～3%的磁電阻曾經在磁記錄和傳感器等領域取得過輝煌的成就。磁場引起的電阻變化1988年發現高達百分之幾十的巨磁電阻，引發人們對其起因和應用研究的濃厚興趣，自此之后以磁電子(magnetoelectronics)或自旋電子(spintronics)等作為關鍵詞的文章頻繁地出現在國際頂尖刊物上磁電阻效應1986年德國克魯伯格教授首先在由非磁金屬層隔開的鐵磁金屬多層膜中觀察到相鄰鐵磁層之間有反鐵磁交換耦合作用鐵磁金屬非磁金屬層鐵磁金屬重要的發展過程(GiantMagnetoresistance

簡稱GMR)巨磁電阻隨后發現，金屬多層膜中鐵磁金屬層間的耦合隨中間層厚度的變化耦合既可能是鐵磁的也可能是反鐵磁的，呈現周期性振蕩，振蕩周期約為1nm

鐵磁金屬非磁金屬層鐵磁金屬d1988年法國費爾小組在非磁金屬層隔開的鐵磁金屬多層膜中觀察到磁場引起電阻大幅度下降，磁電阻值高達百分之幾十，第一次出現“巨磁電阻”的名詞CrFeCrFeCrFeFe在巨磁電阻發現后不久，很快就研制出各種各樣磁電子器件，如：磁傳感器（1994）、自旋晶體管（1993）、讀出磁頭（1997）、存儲器（1997）等。這些磁電子器件的成功研制使得信息科學與技術發生了革命性的變化。巨磁電阻效應是科學研究從基礎理論創新轉化為高新技術最后占領市場的一個成功范例！2007年度分享諾貝爾物理學獎法國費爾德國克魯伯格以巨磁電阻為標志一門新的學科－磁電子學誕生在ABO3型Mn基鈣鈦礦氧化物(A為三價稀土元素或二價堿土)中觀察到特別大的磁電阻，因磁電阻值遠大于GMR或TMR，故稱之為龐磁電阻（CMR

）過渡金屬鈣鈦礦氧化物強磁性絕緣體（1950年前后）鐵磁性金屬（1950年前后）龐磁電阻（1989年以后）磁-電耦合（近年來研究熱點問題之一）ColossalMagnetoresistance

簡稱CMR龐磁電阻強磁性絕緣體五十年代合成了大量鈣鈦礦型過渡金屬氧化物，如：RFeO3、RCrO3

、RMnO3，目的是獲得絕緣性好同時又具有強磁性的材料磁性，嚴格講是亞鐵磁性，即磁矩不相互抵消的反鐵磁有序，源于磁性離子間的超交換作用由于磁性離子局域磁矩間的反平行取向，電子不能在兩者之間遷移，因此，這些化合物具有良好的絕緣性超交換作用超交換龐磁電阻材料Mn-O層是鐵磁的，但相鄰Mn-O層間呈反鐵磁性耦合，類似鐵磁金屬多層膜的情況鐵磁層鐵磁層反鐵磁耦合是否會表現出類似在多層膜中觀察到的GMR或TMR效應？

La1-xBx

Mn3+1-xMn4+x

O3LaMnO3晶體結構和磁特征始于1989年研究的初衷實驗表明，磁場引起居里溫度附近電阻的大幅度降低，相應的磁電阻遠大于GMR或TMR，故稱為龐磁電阻五、超導材料

超導材料是具有在一定的低溫條件下呈現出電阻等于零以及排斥磁力線性質的材料。超導材料和常規導電材料的性能有很大的不同，主要有以下性能：1）零電阻性。超導材料處于超導態時電阻為零，能夠無損耗地傳輸電能。如果用磁場在超導環中引發感生電流，這一電流可以毫不衰減地維持下去。2）完全抗磁性。超導材料處于超導態時，只要外加磁場不超過一定值，磁力線就不能透入，超導材料內的磁場恒為零。

１、超導材料性能及研究歷史

五、超導材料

3）約瑟夫森效應。兩超導材料之間有一薄絕緣層（厚度約1納米）而形成低電阻連接時，會有電子對穿過絕緣層形成電流，而絕緣層兩側沒有電壓，即絕緣層也成了超導體。當電流超過一定值后，絕緣層兩側出現電壓，或者也可加一電壓，這時直流電流變成高頻交流電，并向外輻射電磁波。4）同位素效應。超導體的臨界溫度Tc與其同位素質量有關，質量越大而Tc越低，這稱為同位素效應。例如，原子量為199.55的汞同位素，它的Tc是4.18K，而原子量為203.4的汞同位素，Tc為4.146K。

１、超導材料性能及研究歷史

五、超導材料

1911年，荷蘭物理學家昂尼斯（Onnes）發現，水銀的電阻率并不象預料的那樣隨溫度降低逐漸減小，而是當溫度降到4.15K附近時，水銀的電阻突然降到零。1933年，邁斯納（Meissner）和奧森菲爾德（Ochsenfeld）將金屬放在外加磁場中，然后設法使金屬由非超導態轉變為超導態以觀察磁力線變化，發現在非超導態時磁力線將穿過金屬體內部；而在超導態時，磁力線被排斥在金屬體外。這一現象稱為超導體的抗磁性，或稱邁斯納效應。

１、超導材料性能及研究歷史

五、超導材料

1973年，科學家發現超導合金——鈮鍺合金具有當時最高的臨界溫度Tc=23.2K。1986年4月，美國國際商用機械公司設在瑞士蘇黎世的實驗室發現Tc達30K的超導材料，其組成是鋇、鑭、銅的氧化物。這一發現，使保持了13年的23.2K超導轉變記錄被打破，并開創了用金屬氧化物做超導材料的新領域。1986年12月，日本東京大學工學部又將Tc提高到37K，而中國科學院物理研究所趙忠賢等人將Tc提高到48.6K，并在70K有超導跡象。中國科學家所取得的進展打破了美國科學家、諾貝爾獎獲得者麥克米倫（E.M.Mcmillan）關于超導轉變溫度上限為40K的極限論，鼓舞了世界各國的同行。美國《紐約時報》1987年1月8日發表美國貝爾實驗室卡瓦博士的評論說：如果北京的研究結果受到重視，“世界將會完全不一樣”。而哥倫比亞大學教授關鍵熊博士說：“這是中國的第一個具有歷史意義的實驗成就”。日本科學家則稱這為“世界第一流”成就。同年12月，美國休斯頓大學朱經武教授宣布獲得了40.8K的超導材料；1987年2月15日朱經武教授與吳茂昆教授又宣布獲得了98K的超導材料。

１、超導材料性能及研究歷史

五、超導材料

1987年2月，中國科學院物理研究所在北京舉行的中外記者招待會上宣布獲得了100K以上的超導溫度，并公布了該超導材料的組成。1987年3月2日，日本科技廳金屬材料研究所小川惠一等人，按照中國科學院公布的超導材料組成配置驗證，也宣布獲得了100K的超導溫度；次日，該所的戶葉一正領導的小組則獲得了123K的超導溫度。1987年3月4日，中國科學院也宣布獲得了123K的超導溫度。1987年3月9日，日本北海道大學宣布獲得175K超導溫度；同一天中國科技大學宣布獲得130K的超導溫度。1987年3月19日，中國科技大學宣布獲得215K的超導溫度。1987年3月28日，美國韋恩大學宣布獲得240K的超導跡象。1987年4月6日，蘇聯科學院宣布獲得250K的超導溫度。蘇聯這一成果表明，超導轉變已可在室溫下實現，不過美國科學家中有人對蘇聯這一成果表示懷疑。1987年5月27日，美國紐約一家能源轉換設備公司宣布獲得260K的超導溫度。1987年5月28日，印度國立物理研究所宣布獲得299K的超導溫度。1987年6月4日，蘇聯莫斯科大學低溫研究所宣布獲得308K的超導溫度。從此，超導發展進入了高溫超導階段。１、超導材料性能及研究歷史

五、超導材料

超導技術是研究物質在超導狀態下的性質、功能以及超導材料、超導器件的研制、開發和應用的技術。

２、超導強磁技術五、超導材料

２、超導強磁技術超導托卡馬克核聚變實驗裝置五、超導材料

２、超導強磁技術

在列車車輪旁邊安裝小型超導磁體，在列車向前行駛時，超導磁體則向軌道產生強大的磁場，并和安裝在軌道兩旁的鋁環相互作用，產生一種向上浮力，消除車輪與鋼軌的摩擦力，起到加快車速的作用。五、超導材料

超導弱磁技術的理論基礎是約瑟夫森效應。利用這種效應制成的超導電子器件，將具有功耗低、噪聲小、靈敏度高、反應速度快等特點，可進行高精度、弱信號的電磁測量，也可用作超高速電子計算機元器件等。

３、超導弱磁技術六、光纖

1966年7月，英國電機工程師學會的學報登載了人稱“光纖之父”的英籍華裔科學家高錕博士一篇題為“光頻率的介質纖維表面波導”的論文。文中提出，用石英基玻璃纖維進行長距離信息傳遞，將帶來一場通訊事業的革命。并指出當玻璃纖維損耗率下降到20分貝/公里時，光纖通訊即可成功，這在科學界掀起了光纖研究的熱潮。

１、光纖的發明

六、光纖

光纖為光導纖維的簡稱，由折射率較高的纖芯和折射率較低的包層組成。光纖透明、纖細，雖比頭發絲還細，卻具有把光封閉在其中并沿軸向進行傳播的性能。通常為了保護光纖，包層外還往往覆蓋一層塑料加以保護，其中纖芯的芯徑一般為50或62.5微米，包層直徑一般為125微米。光纖通信就是因為光纖的這種神奇結構而發展起來的以光波為載頻，光導纖維為傳輸介質的一種通信方式。纖芯區域完成光信號的傳輸，包層則是將光封閉在纖芯內，并保護纖芯，增加光纖的機械強度。

２、光纖的結構與光信號傳輸

六、光纖

頻帶寬、損耗低、重量輕、抗干擾能力強、保真度高、工作性能可靠、成本不斷下降

３、光纖傳輸的優點

六、光纖

諾貝爾物理學獎（三）六、光纖

高錕，華裔物理學家，擁有英國、美國國籍并持中國香港居民身份，目前在香港和美國加州山景城兩地居住。高錕為光纖通訊、電機工程專家，華文媒體譽之為“光纖之父”、普世譽之為“光纖通訊之父”（FatherofFiberOpticCommunications），曾任香港中文大學校長。2009年，與威拉德·博伊爾和喬治·埃爾伍德·史密斯共享諾貝爾物理學獎。七、石墨烯

2004年，英國曼徹斯特大學的安德烈·K·海姆(AndreK.